滑板式调节阀流场的数值模拟及性能预测.pdf

2015年 10月 机 床 与 液 压 Oct. 2015 第 43 卷 第 19 期 MACHINET0 0 L 2 HYDRAULICS Vol. 43 No. 19 DOI 10.3969// issn. 1001-3881. 2015. 19. 045 滑板式调节阀流场的数值模拟及性能预测 许洪斌2刁富强2杨长辉2秦飞龙2 1.重庆理工大学汽车零部件先进制造技术教育部重点实验室，重 庆 400054 2 . 重庆理工大学机械工程学院，重 庆 400054 摘要针对新型滑板式调节阀产品模型，采用基于各向同性涡黏性理论的双方程模型求解，获得了阀门内部流场 不同开度下的压力场和速度场，预测了阀门出现空化现象的位置，建立了阀门的流量特性曲线和流阻特性曲线。通过研究 发现，滑板式调节阀流通能力强，具有线性流量调节功能；阀门在小开度情况下，内部流场紊乱，存在大尺度的漩涡；仿 真结果可为此类新型阀门的开发与优化提供了依据。 关键词滑板式调节阀；流量特性；流阻特性 中图分类号TH137 文献标志码 A 文章编号1001-3881- 2015 19-189-3 Numerical Simulation and Perance Prediction of Flow Field of Slide Adjusting Valve XU Hongin1，DIAO Fuqiang2，YANG Changhui1，QINFeilong2 1. Key Laboratory of Automobile Part Advanced Manufacturing Technology of Ministry of Education，Chongqing University of Technology， Chongqing 400054, China; 2. School of Mechanical Engineering， Chongqing University of Technology， Chongqing 400054, China Abstract Focusing on the new slide adjusting valve product model， the two equation model based on the theory of isotropic eddy viscosity was taken to solution. Pressure field and velocity field of the vvlve corresponding to different opening degree were ob- tained， the position of cavitation phenomenon of valve was predicted， and the curves of flux character and flow resistance characteristic of valve were built. It was discovered by study that tlie slide adjusting valve was own a good flow capacity and linear flow regulating function. The internal flow field disturbance and large scale vortex were existed in the valve body of tlie slide adjusting valve in the e vent of the small opening degrees. The simulation results can provide the basis for the development and optimization of this new type of valve. Keywords Slide adjusting valve； Flux character； Flow resistance characteristic 0前言 调节阀是过程控制系统中一个重要的部件，广泛 应用于石油化工、航空航天、交通运输、农业生产和 曰常生活中。由于阀门内部结构复杂，当流体流过阀 门产生闪蒸空化、漩涡等现象时，会对管路输送系统 造成危害。近年来，随着科技的发展，阀门设计在注 重外在结构的同时也更多的考虑阀门的水力特性。目 前 ，在阀门行业中已广泛应用CFD数值模拟技术来 研究阀门的流动特性[2_4]、预测产品性能[5]、优化设 计方案[6_7]，CFD数腿拟技术已成为阀门设计的重 要手段。 滑板式调节阀是一种新型的板式直行程调节阀， 利用多孔节流槽定滑板与多孔节流槽动滑板之间的相 对运动来实现调节功能，具有流通能力好、体积小、 质量轻、行程短，阀芯不平衡力小，密封性能好、允 许压差大等特点。运用Fluent数腿拟软件对滑板式 调节阀的内部流场进行数腿拟，并对可视化结果进 行分析，这对于滑板式调节阀的研发和性能优化具有 重要意义。 1创建几何建模 该滑板式调节阀公称通径为/ 100 mm，其结构 主要由阀体、阀座、定滑板、动滑板、压盖等组成， 在SolidWorks三维建模软件中完成调节阀的实体建 模 ，藤型简化后的结构如图1所示。由于阀门结构 的对称性，取调节阀内部流道的一半作为计算域，为 使流动充分发展，前后管道分别加长5 倍管径和10 倍管径。 收稿日期 2014-09-12 基金项目重庆市应用计划开发项目（ctc2014yykfA70003 作者简介 许洪斌（ 1967） ，男，博士，教授，主要从事机械设计及理论方面的研究。E-mail xuhbcqut. edu. cn。 190 - 机床与液压 第 43卷 2建立控制方程 调节阀内部流场的实际流动为湍流流动，在定场 条件下，使用不可压缩流动的雷诺方程组与标准 构成的封闭方程组来描述[8]。 连续方程 设置流体与壁面的接触边界为静止无滑移固壁 面边界，入口设置速度H1m/s，湍流状态的描述 设置为湍流强度3.79，水力直径0.1m; 出口 设置压力严0 Pa 在对称面设置对称边界条件；流 体 介 质 为 水 ，密 度1 000 kg/m3，动 力 黏 度5 0 紊流运动方程 - 二“-丄 0 P F F ■ 标 准 方 程 耗散率.的方程 1 2 3 yt 4 紊流动能的方程 1,1 k --- \ 4y A； . / 式中p为流体密度；F为流体方向的速度分量；p 为流体微元体上的压力；5,为湍流黏度；为湍流动 能；.为耗散率；M为动力黏度；常数i 244, 2 1.92，6 1 . 0 ，32 1.30 3计算网格与边界条件 利用前处理软件ICEMCFD划分网格，网格划分 时，考虑到计算精度与计算经济性，采用结构网格与 非结构网格相结合的方法，对阀门前后圆柱管道划分 六面体结构网格，在阀体附近区域划分四面体非结构 网格。并对模型节流处网格进行局部加密，总的网格 数量在500万左右。图 2 所示为调节阀全开时网格示 意图。 图2调节阀全开时网格示意图 0. 001 003Pa - s〇 4流场可视化分析 4. 1 压力分布 由图3 可见，该调节阀进出口压力分布均匀，不 存在压力陡升的区域，节流槽入口处压力骤降，压降 在过流断面处达到最大，并产生一小段负压，过流断 面后压力慢慢回升。同时在节流槽入口前流体不流通 位置产生局部高压区，会对动滑板形成一定的冲击， 可以考虑在节流槽入口边缘添加圆角，减小压力集中 区域面积。比较阀门i0 0 r开度与50r开度的压力分 布可知，50r开度时，压力梯度更明显，调节阀进出 口压降增大，并且随着开度的减小，这种变化趋势更 明显。 b50开度时压力云图 图3调节阀不同开度时的压力分布云图 4. 2速度分布 从图4 可看出，调节阀入口段速度分布均匀， 当流体由调节阀进口经节流槽流出时，主流流体的 速度逐渐增加，并在过流断面处流速达到最大，当 流体从节流槽流出后，速度逐渐减小。对比分析图 4 a b 可知，调节阀开度越小，节流增速越 明显；流体流经节流槽时形成了高速射流，开度越 小射流流速越大。高速射流会对节流槽流道产生严 重的冲刷破坏，应尽量将这些流道表面硬化，来抵 抗高速流的冲刷；阀门全开时，节流槽出口高速流 之间形成了流速相对较小的流动死区，开度减小到 50r时，在过流断面后以及阀门出口管道右下区域 形成了流动死区。 第 19期许洪斌等滑板式调节阀流场的数值模拟及性能预测 191 - b50开度时压力云图 图4调节阀不同开度时的速度分布云图 从图5 中可以看出，当流体从调节阀流出时，在 阀 门 流 道 内 产 生 了 不 程 度 和 数 量 个 涡 回 流 。对 比图5 a、 （b，调节阀全开时，仅在节流槽出口 之间的区域形成了涡流；开度减小到50时，由于 动滑板的移动对流体的瓶作用，使得阀门出口流体 流线偏向流道右上区域，在高速射流状态下引起流动 速度的不均匀，导致阀后流场紊乱，在流场中出现了 面积较大的漩涡。漩涡的产生会导致能量损失，会使 零件受力不平衡，产生振动和噪声。 图5调节阀不同开度时的流线分布图 5调节阀性能预测 5. 1流量特性 流量系数[9]表示流体流经阀门产生单位压力损 失时流体的流量，其值越大，说明流体流过阀门是的 压力损失越小，具 体 表 达 如 式 ⑷ 。流量特性[9]是 指介质流过阀门的相对流量与相对开度的关系，是调 节阀最重要的指标之一具体表示如表达式（ 7 所示 胃槡 （ 6 式中„表亦流量系数；M为体积流量，m3/h; p为 流体密度，9m3; 7为阀门两端压力差，kPa。M Mma为相对流量；/ma为相对开度。 5. 2流阻系数 流体通过阀门时，如果阀门的流阻系数越小，将 有利于水流通过，其流細力损失以阀门前后的流体 压力降表示[9]，流阻系数4 为 p v 式中H为流体在管道内平均速度，m/s; p为流体密 度 ，kg/m3; 7为阀门两端压力差，Pa。 数值计算结果如表1所示，由表1数据可知，滑 板式调节阀比其他相同口径的调节阀具有更好的流通 能力，流动阻力小[9]。根据表1中的计算结果，建立 流阻特性曲线以及流量特性曲线，如图6、7 所示。 表1阀门不同开度下模拟计算结果 相对开度/流量系数/ m3 - h- 流阻系数 100244.62. 67 90217.53.41 80173.45.31 70134.28.88 60103.914. 8 5080. 124.89 4061.542.24 304482.49 图6中可以看出，调节阀从小开度逐步开启过程 中，阻力系数从极大数值急剧下降，当开度达到 60时，阻 力 系 雖B经变小；在 70开度以后，阻 力系数变化很小。 下转第179页） 第 19期许 宏 等 电动直驱式超高压力控制系统的建模与仿真 179 - 图4 是系统对阶跃信号响应的仿真曲线。图 5 是 系统对斜坡信号响应的仿真曲线。从上述曲线响应图 可以发现，该控制系统对输人信号的响应可以满足要 求 ，且 具 有 较好的跟酿。 3结论 基于六面顶压机的超高压力的恒压控制，提出了 -种电动直驱式的压机超高压力补偿控制方式。通过 电动直驱式超高压力系统的数学翻的建立，传递函 数的推导，以及利用M a lb对整个直驱式液压压力 控制系统进行系统仿真分析。该系统的仿真分析结果 表明⑴ 该 系 统 是 稳 定 的 ，且具有良好的稳定性 和跟随性； ⑵由于该控制系统是在金刚石合成的 最关键的补油保压阶段进行的，代替阀控或栗控液压 缸 ，以此来弥补常规液雖制系统的不足，所以可以 在■定程度上提尚压力控制的精度。 以上研究为生产高品质金刚石等超硬材料时提高 压力控制精度的方法奠定了研究基础，这种系统的深 人研究具有很重要的实际意义，并将做进一步的实验 研究。 参考文献 [1 ] 方啸虎.中国超硬材料新技术与进展[M ].合肥 中国科 学技术大学出版社， 2004. 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